JP2017531129A - 背中合わせに2つのステージを配置してステージ間に環状の移送ダクトを備えた遠心ターボ機械 - Google Patents

背中合わせに2つのステージを配置してステージ間に環状の移送ダクトを備えた遠心ターボ機械 Download PDF

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Abstract

ターボ機械組立体(200)は、入口(211)と出口(212)と回転シャフト(213)とを有する第1のターボ機械(210)と、入口と出口と回転シャフト(223)とを有する第2のターボ機械(220)と、第1のターボ機械の出口を第2のターボ機械の入口に流体連結する移送ダクト(240)と、ターボ機械及び移送ダクトを収容するケーシング(230)とを含む。ターボ機械は、相互に隣接して位置し、したがって、第2のターボ機械の出口は、第1のターボ機械の出口に近接し、第2のターボ機械の入口は、第1のターボ機械の出口から離れている。第2のターボ機械の出口は、蝸牛(即ち、螺旋状のダクト)のように形状付けされた端部部分(225)を有する。移送ダクトは、環状の形状を有し、第2のターボ機械の出口の端部部分(225)を取り囲む。【選択図】図2

Description

本明細書に開示される主題の実施形態は、ターボ機械組立体、ターボ機械を連結するための移送ダクト、及びダクトを配置する方法に対応する。
「オイル&ガス」の分野では、2つ以上のターボ機械をカスケード式に流体連結するのは、よくあることである。
これは、例えば、流体を高圧縮比で圧縮する必要のあるときに、単一の(そして極めて長い)マルチステージ圧縮機を使用する代わりに、図1に示したように、2つの(短めの)マルチステージ圧縮機を使用してカスケード式に連結する場合である。
図1は、一例として、ターボ機械組立体100を示し、ターボ機械組立体100は、第1のマルチステージ遠心圧縮機110と、第2のマルチステージ遠心圧縮機120と、電気モータ(図面に示さず)と、を含む。組立体100の機械は、全てハーメチックケーシング130の内部に収容される。組立体100は、海中に設置することを意図している。第1の圧縮機110は、入口111(図で左側)と、出口112(図で右側)と、回転シャフト113(例えば、図で両側から突出する)と、を有する。第2の圧縮機120は、入口121(図で右側)と、出口122(図で左側)と、回転シャフト123(例えば、図で両側から突出する)と、を有する。シャフト113及び123は、(実質上)同軸であり、互いに機械的に結合される(多くの場合、独特の中実シャフトが使用される)。
図1に示したものなどの構成は、2つの機械が逆方向を向いていることから、「背中合わせ」と呼ぶ。具体的には、図1では、圧縮機110及び120は、相互に隣接して位置し、第1の圧縮機110の出口112は、第2の圧縮機120の出口122を向き、それに近接している。第1の圧縮機110の出口112と、第2の圧縮機120の入口121とは、流体連結されるが互いに離れている。
「背中合わせ」の構成は、組立体の動作中に、2つの機械のうちの一方が及ぼす軸方向スラストが、2つの機械のうちのもう一方の軸方向スラストと(実質上)釣り合うことができ、且つ機械の軸受に軸方向に負荷をかけないので有利である。「背中合わせ」の構成は、2つの機械の支持用に磁気軸受を使用するときに、磁気軸受が高い軸方向スラストに耐えることができないので、なおさら有利である。
「背中合わせ」の構成を備えたターボ機械組立体では、第1及び第2の機械間の流体連結は、第1の機械の出口と第2の機械の入口とが互いに離れているので、長い配管を必要とする。
図1の例示的な組立体では、2つの圧縮機110及び120のカスケード連結は、ケーシング130の完全に外部にある移送配管140を介して実現される。配管140は、その2つの端部に第1のフランジ142(図で左)と第2のフランジ143(図で右)を備えた形状付けされた管141で構成される。組立体100は、フランジ132を備えた主入口管131と、フランジ134を備えた主出口管133と、フランジ136を備えた中間入口管135と、フランジ138を備えた中間出口管137と、を含む。これらの管の全てがケーシング130から突出する。入口管131は、入口111に流体連結され(図の矢印を参照)、出口管133は、出口122に流体連結され(図の矢印を参照)、入口管135は、入口121に流体連結され(図の矢印を参照)、出口管137は、出口112に流体連結される(図の矢印を参照)。フランジ138は、フランジ142と機械的に連結され、フランジ136は、フランジ143と機械的に連結され、したがって、第1の圧縮機110の出口は、第2の圧縮機120の入口に流体連結される。
図1のものと同様の外部移送配管は、特に(しかしこれに限らないが)組立体が海中深くに置かれるときに課題を生じさせることがある。外部移送配管の2つの端部の機械的な連結部から漏出が生じることがあり、衝突及び/又は侵食を原因とする損傷が生じることがあり、その修理にフランジの連結解除と連結とが必要になる。更に、外部移送配管の内部を流れる作動流体の海水によって冷却が起きることがあり、組立体の作業効率は、そういった冷却によって影響を受ける。
したがって、特に、「オイル&ガス」の分野において、海中の用途のために、「背中合わせ」の構成で配置されたターボ機械を流体連結する課題に対して、改善された解決策が一般的に必要である。
より一般的には、異なった別々のダクトを同じ空間内に配置するという課題に対して、改善された解決策が必要である。
米国特許出願公開第2005/0005606号明細書
重要な概念は、移送ダクトをケーシング内部に位置させることである。
他の重要な概念は、移送ダクトを環状のダクトとして形状付けることである。
他の重要な概念は、1つの管形状の座部を移送ダクト内部に設けることである。
他の重要な概念は、1つ又は複数のストラットを移送ダクト内部に設けることである。
本明細書に開示される主題の第1の実施形態は、ターボ機械組立体に関する。
一般的に、ターボ機械組立体は、
入口と出口と回転シャフトとを有する第1のターボ機械と、
入口と出口と回転シャフトとを有する第2のターボ機械と、
− 第1のターボ機械の出口を第2のターボ機械の入口に流体連結する移送ダクトと、
ターボ機械及び移送ダクトを収容するケーシングと、を含む。
ターボ機械は、相互に隣接して位置し、したがって、第2のターボ機械の出口は、第1のターボ機械の出口に近接し、第2のターボ機械の入口は、第1のターボ機械の出口から離れている。第2のターボ機械の出口は、蝸牛(cochlea)のように形状付けされた端部部分を有する。移送ダクトは環状の形状を有し、第2のターボ機械の出口の端部部分を取り囲む。
本明細書に開示される主題の第2の実施形態は、第1のターボ機械の出口を第2のターボ機械の入口に流体連結するための移送ダクトに関する。
一般的に、移送ダクトは、単一のダクトから構成される。単一のダクトは、軸の周りに環状の形状を有する。単一のダクトは、始部では少なくとも部分的に半径方向に、中間では実質上軸方向に、終部では少なくとも部分的に半径方向に、展開する。単一のダクトは、それを横切る他のダクトを少なくとも部分的に収容するための1つの管形状の座部を有する。単一のダクトは、構造的な補強のために、好ましくは1つ又は複数のストラットを有する。
本明細書に開示される主題の第3の実施形態は、第1及び第2の異なった別々のダクトを配置する方法であって、第1のダクトは、第1の流体を軸方向に給送するように設計され、第2のダクトは、第2の流体を半径方向に給送するように設計される、方法に関する。
一般的に、本方法は、
内部空間を画定するように第1のダクトを単一の環状のダクトとして構成することと、
第2のダクトを単一の螺旋状のダクトとして構成することと、
第1のダクトによって画定された内部空間の内部に第2のダクトを位置決めすることと、
単一の環状のダクトを横切るように単一の螺旋状のダクトを延長することと
を含む。
本明細書に組み入れられて本明細書の一部分を構成する添付の図面は、本発明の例示的な実施形態を図示し、詳細な説明と共にそれらの実施形態を説明している。
従来技術に係るターボ機械組立体の長手断面の概略図である。 本発明に係るターボ機械組立体の長手断面の概略図である。 移送ダクトに関する、図2の部分拡大詳細図である。 本発明に係るターボ機械組立体の実施形態の部分長手断面詳細図である。 図4の実施形態に対応する部分横断面図である。
例示的な実施形態の以下の説明では、添付の図面を参照する。
以下の説明は、本発明を限定しない。代わりに、本発明の範囲は、添付した特許請求の範囲によって画定される。
本明細書全体を通して「一実施形態」又は「実施形態」の参照は、実施形態に関連して説明した特定の特徴、構造、又は特性が、開示される主題の少なくとも1つの実施形態に含められることを意味している。したがって、本明細書を通して様々な箇所で見られる「一実施形態では」又は「実施形態では」という表現は、必ずしも同一の実施形態を参照していない。更に、特定の特徴、構造、又は特性は、1つ又は複数の実施形態において、任意の適切なやり方で組み合わせてもよい。
図2は、ターボ機械組立体200の長手断面の概略図である。ターボ機械組立体200は、
入口211と出口212と回転シャフト213(軸214付き)とを有する第1のターボ機械210と、
入口221と出口222と回転シャフト223(軸224付き)とを有する第2のターボ機械220と、
− 出口212を入口221に流体連結する移送ダクト240と、
ターボ機械210及び220と移送ダクト240とを収容するケーシング230と、を含む。
ターボ機械210及び220は、相互に隣接して位置し、したがって、第2のターボ機械220の出口222は、第1のターボ機械210の出口212に近接し、第2のターボ機械220の入口221は、第1のターボ機械210の出口212から離れている。具体的には、ターボ機械210及び220は、いわゆる「背中合わせの構成」である。この実施形態によれば、シャフト213及び223は、正確に同軸であり、単一の軸204は、シャフト213の軸214とシャフト223の軸224との双方に対応する。この実施形態によれば、シャフト213及び223は、剛性ジョイント(図で強調していない)を介して互いに機械的に結合される。その代わりに、例えば、独特の中実シャフトを使用してもよい。
第2のターボ機械220の出口222は、蝸牛(即ち、螺旋状のダクト)のように形状付けされた端部部分225を有する。
移送ダクト240は、好ましくは、環状の形状(内部及び外部の双方で)を有した単一のダクトであり、第2のターボ機械220の出口222の端部部分225を取り囲む。具体的には、移送ダクト240は、軸方向及び半径方向に(即ち、完全に)部分225だけでなく第2ターボ機械220全体を取り囲む(第2のターボ機械220のシャフト223に近接した小さな区域だけが取り囲まれない(図2の右側及び左側を参照))。
移送ダクト240は、完全にケーシング230の内部にある。
移送ダクト240は、始部241では少なくとも部分的に半径方向に(その軸204から遠ざかっている、即ち、その距離が増加している)、中間242では実質上軸方向に、終部243では少なくとも部分的に半径方向に(その軸204に近接している、即ち、その距離が減少している)、展開している。図2の(対称の長手軸204を有した)移送ダクト240の断面が拡大した縮尺で部分的に示されている図3を参照されたい。移送ダクト240は、始部241で第1のターボ機械210の出口212(例えば、「出口デフューザ」)に直接流体連結された第1の端部部分と、終部243で第2のターボ機械220の入口221(例えば、「入口ガイダ」)に直接流体連結された第2の端部部分と、を有する。始部241で、移送ダクト240の断面の面積は、増加する(即ち、移送ダクトが広がる)。これは図2に示され、図4でなおさら明らかである。
図2から明らかなように、移送ダクト240は、第2のターボ機械220のまわりに覆いのように展開し、第2のターボ機械220の出口222(実際には少し前)で始まって、第2のターボ機械220の入口221(実際には少し後ろ)で終わっている。
組立体200は、フランジ232を備えた管231の形式の1つの入口ダクトと、フランジ234を備えた管233の形式の1つの出口ダクトと、を有する。両ダクト、即ち、管231及び233は、ケーシング230から突出する。
第2のターボ機械220の出口222の端部部分225は、連結ダクト235を介して組立体の出口ダクト233に流体連結される。連結ダクト235は、移送ダクト240を貫通する。より具体的には、移送ダクト240の一方側、即ち、内部壁から他方側、即ち、外部壁に進む。連結ダクト235は、蝸牛225の延長部であり、移送ダクト240の管形状の座部の中に部分的に収容される(図5も参照)。移送ダクト240は、構造的な補強のために、1つ又は複数の要素(例えば、内部壁と外部壁を連結する)を有していてもよい。
図4及び図5は、可能な実施形態の詳細図を示しているので、合わせて考慮されねばならない。図4及び図5では、図2及び図3の概略図を参照して説明したものに類似した技術的な解決策が具体化されている。
図4は、移送ダクト(単一の環状のダクトの形式)を強調しており、移送ダクトは、始部441では少なくとも部分的に半径方向に(外方に、即ち、シャフト及びそれらの軸から遠く)、中間442では実質上軸方向に、終部443では少なくとも部分的に半径方向に(内方に、即ち、シャフト及びそれらの軸に近接して)、展開している。移送ダクトの端部部分は、始部441において、第1のターボ機械の出口と考慮され得るダクト412(例えば「出口ディフューザ」)に直接流体連結される。移送ダクトの端部部分は、終部443において、第2のターボ機械の入口と考慮され得るダクト421(例えば、「入口ガイダ」)に直接流体連結される。移送ダクトは、完全にケーシングの内部にあり、また、第2のターボ機械を、半径方向には完全に、軸方向には殆ど完全に取り囲む(第2のターボ機械のシャフトに近接した小さな区域だけが取り囲まれない)。
第2の機械の移送ダクトとシャフトの軸との間の半径方向距離は、移送ダクトの始部441に沿って増加する。これによって、第2のターボ機械を乗り越えることができる。
移送ダクトの断面の面積は、移送ダクトの始部441に沿って増加する(換言すると、移送ダクトが広がる)。これによって、移送ダクトの内部を流れる流体の速度(特に、軸方向成分)が低下し、その結果として、圧力が幾分回復する。換言すると、移送ダクトの最初の部分は、ターボ機械の出口蝸牛(outlet cochlea)と同様に動作する。
図4は、蝸牛のように形状付けされている第2のターボ機械の出口の端部部分425(図2の端部部分225に対応する)も強調している。部分525は、例えば、第2のターボ機械の「出口ディフューザ」と連結されてもよい。
移送ダクトの部分は、始部441において、第2のターボ機械の出口の端部部分425を、半径方向には完全に、軸方向には一方側のみ完全に取り囲む。
図5は、単一の環状のダクト(軸504の周り)の形式の移送ダクト540を強調している。これによって、移送ダクトの内部を流れる流体の速度の回転成分が次第に減少する(例えば、10度〜30度の範囲の角度まで)。図面は、要素544及び545によって分離された2つの半環状のキャビティを示しているように見えるが、実際は、要素544及び545が限定的な軸方向の延長部を有するので、環状のキャビティが1つあるだけである。移送ダクト540の外部側又は壁は、組立体のケーシングに隣接しているか又は極めて近接し、他方、移送ダクト540の内部側又は壁は、蝸牛のように形状付けされている第2のターボ機械の出口の端部部分525(図2の端部部分225に対応する)に隣接している。部分525は、中心の空間501を空けたままにしている。
部分525は、組立体の出口ダクトに流体連結されることになる。これが、連結ダクト535(図2のダクト235に対応する)の目的である。
連結ダクト535は、移送ダクト540を貫通する。より具体的には、連結ダクト535は、移送ダクト540の一方側、即ち、内部壁から他方側、即ち、外部壁に進む。連結ダクト535は、蝸牛形状のダクト525の延長部である。移送ダクト540は、それを横切る連結ダクト535を部分的(又は全体的)に収容する1つの管形状の座部544を有する。
移送ダクト540は、構造的な補強のために、1つ(又は1より多い、例えば、2つ又は3つ又は4つ又は5つ又は6つ又は7つ又は…)のストラット545を有する。そういった構造的な要素は、半径方向又は実質上半径方向に配置され得る(比較的)短い中実要素である。
断熱材料(例えば、層の形式)は、移送ダクトと蝸牛形状のダクトの間に、及び/又は、連結ダクトと移送ダクトの間に、置くことができる。
図4及び図5は、本発明に係る移送ダクトの可能な構成と可能な配置とを詳細に説明及び図示することを可能にした。
上の説明から当業者には明らかなように、第1及び第2の異なった別々のダクトが配置されている。第1のダクトは、第1の流体を軸方向に給送するように設計され、第2のダクトは、第2の流体を半径方向に給送するように設計される。
そういった配置によれば、次のステップ、
内部空間を画定するように第1のダクトを単一の環状のダクトとして構成するステップと、
第2のダクトを単一の螺旋状のダクトとして構成するステップと、
第1のダクトによって画定された内部空間の内部に第2のダクトを位置決めするステップと、
単一の環状のダクトを横切るように単一の螺旋状のダクトを延長するステップと
が提供される。
そういった配置は、第1及び第2の流体の流れがターボ機械の出口からもたらされるときに特に有効である。事実上、この配置により、負荷損失及び/又は熱損失及び/又は熱交換を最小化することができる。
用途の観点から、本発明は、極めて融通がきく。
特定の実施形態(「背中合わせの構成」における)によれば、前に述べた第1及び第2のターボ機械は、例えば、圧縮機又はポンプ、好ましくはマルチステージ遠心機械にすることができる(第1の機械のステージ数は、第2の機械のステージ数と同じでも又はそれと異なっていてもよい)。しかしながら、組立体は、別の機械、例えば、電気モータやタービンなどのエンジンを含んでいてもよい。特に、電気モータを使用するとき、圧縮機やポンプは、エンジンから効果的に流体隔離される。
他の特定の実施形態(「背中合わせの構成」における)によれば、第1のターボ機械は、圧縮機又はポンプ、好ましくはマルチステージ遠心機械であり、第2のターボ機械は、タービン、好ましくはマルチステージ機械である。
好ましくは、組立体の機械の全ては、同一ケーシングの内部に収容される。
一般的に、それらの機械の回転シャフトは、互いに機械的に結合される。図2では、機械210のシャフト213と、機械220のシャフト223は、剛性ジョイントを介して機械的に結合される(独特の中実シャフトが代替物となる)。
本発明の典型的且つ特に有利な用途は、海中に設置されるように設計されたターボ機械組立体の中にある。
100 ターボ機械組立体
110 第1のマルチステージ遠心圧縮機
111 入口
112 出口
113 回転シャフト
120 第2のマルチステージ遠心圧縮機
121 入口
122 出口
123 回転シャフト
130 ハーメチックケーシング
131 主入口管
132 フランジ
133 主出口管
134 フランジ
135 中間入口管
136 フランジ
137 中間出口管
138 フランジ
140 移送配管
141 形状付けされた管
142 第1のフランジ
143 第2のフランジ
200 ターボ機械組立体
204 単一の軸
210 第1のターボ機械
211 入口
212 出口
213 回転シャフト
214 軸
220 第2のターボ機械
221 入口
222 出口
223 回転シャフト
224 軸
225 端部部分
230 ケーシング
231 管
232 フランジ
233 管、出口ダクト
234 フランジ
235 連結ダクト
240 移送ダクト
241 始部、第1の端部部分
242 中間
243 終部、第2の端部部分
412 ダクト
421 ダクト
425 端部部分
441 始部
442 中間
443 終部
501 中心の空間
504 軸
525 端部部分
535 連結ダクト
540 移送ダクト
544 管形状の座部
545 ストラット

Claims (13)

  1. 入口(211)と、出口(212)と、回転シャフト(213)と、を有する第1のターボ機械(210)と、
    − 入口(221)と、出口(222)と、回転シャフト(223)と、を有する第2のターボ機械(220)と、
    − 前記第1のターボ機械(210)の前記出口(212)を前記第2のターボ機械(220)の前記入口(221)に流体連結する移送ダクト(240)と、
    − 前記ターボ機械(210、220)及び前記移送ダクト(240)を収容するケーシング(230)と、を含むターボ機械組立体(200)であって、
    前記ターボ機械(210、220)は、相互に隣接して位置し、したがって、前記第2のターボ機械(220)の前記出口(222)は、前記第1のターボ機械(210)の前記出口(212)に近接し、前記第2のターボ機械(220)の前記入口(221)は、前記第1のターボ機械(210)の前記出口(212)から離れており、
    前記第2のターボ機械(220)の前記出口(222)は、蝸牛のように形状付けされた端部部分(225)を有し、
    前記移送ダクト(240)は、環状の形状を有し、前記第2のターボ機械(220)の前記出口(222)の前記端部部分(225)を取り囲む、ターボ機械組立体(200)。
  2. 前記移送ダクト(240)は、始部(241)では少なくとも部分的に半径方向に、及び/又は、中間(242)では実質上軸方向に、及び/又は、終部(243)では少なくとも部分的に半径方向に、展開している、請求項1記載のターボ機械組立体(200)。
  3. 前記移送ダクト(240)は、前記第2のターボ機械(220)のまわりに覆いのように展開し、前記第2のターボ機械(220)の前記出口(222)で始まって、前記第2のターボ機械(220)の前記入口(221)で終わっている、請求項1又は2記載のターボ機械組立体(200)。
  4. 前記ケーシング(230)から突出した出口ダクト(233)を有し、
    前記第2のターボ機械(220)の前記出口(222)の前記端部部分(225)は、連結ダクト(235)を介して前記組立体(200)の前記出口ダクト(233)に流体連結され、
    前記連結ダクト(235)は、前記移送ダクト(240)を貫通する、請求項1又は2又は3記載のターボ機械組立体(200)。
  5. 前記移送ダクト(240)は、前記第2のターボ機械(220)を完全に取り囲む、前記請求項のうちのいずれか1項記載のターボ機械組立体(200)。
  6. 前記移送ダクト(240)は、
    − 前記第1のターボ機械(210)の前記出口(212)に直接流体連結された第1の端部部分(241)と、
    − 前記第2のターボ機械(220)の前記入口(221)に直接流体連結された第2の端部部分(243)と、を有する、前記請求項のうちのいずれか1項記載のターボ機械組立体(200)。
  7. 前記移送ダクト(240)の断面の面積は、前記第1の端部部分(241)に沿って増加する、請求項6記載のターボ機械組立体(200)。
  8. 前記第2の機械(220)の前記移送ダクト(240)と前記シャフト(223)の軸(224)との間の距離は、前記第1の端部(241)に沿って増加する、請求項6又は7記載のターボ機械組立体(200)。
  9. 前記第1のターボ機械(210)は、第1の圧縮機又はポンプ、好ましくはマルチステージ遠心機械であり、
    前記第2のターボ機械(229)は、第2の圧縮機又はポンプ、好ましくはマルチステージ遠心機械であり、
    前記ターボ機械(210、220)の前記回転シャフト(213、223)は、互いに機械的に結合される、前記請求項のうちのいずれか1項記載のターボ機械組立体(200)。
  10. 前記第1のターボ機械は、圧縮機又はポンプ、好ましくはマルチステージ遠心機械であり、
    前記第2のターボ機械は、タービン、好ましくはマルチステージ機械であり、
    前記第1のターボ機械及び前記第2のターボ機械の前記回転シャフトは、互いに機械的に結合される、前記請求項のうちのいずれか1項記載のターボ機械組立体(200)。
  11. 海中に設置するためのものである、前記請求項のうちのいずれか1項記載のターボ機械組立体(200)。
  12. 単一のダクトから構成され、第1のターボ機械(210)の出口(212)を第2のターボ機械(220)の入口(221)に流体連結するための移送ダクト(240)であって、
    前記単一のダクトは、軸(204)の周りに環状の形状を有し、
    前記単一のダクトは、始部(241)では少なくとも部分的に半径方向に、中間(242)では実質上軸方向に、終部(243)では少なくとも部分的に半径方向に、展開し、
    前記単一のダクトは、それを横切る他のダクト(235;535)を少なくとも部分的に収容するための1つの管形状の座部(544)を有し、
    前記単一のダクトは、好ましくは1つ又は複数のストラット(545)或いは構造的な補強を有する、移送ダクト(240)。
  13. 第1及び第2の異なった別々のダクトを配置する方法であって、前記第1のダクトは、第1の流体を軸方向に給送するように設計され、前記第2のダクトは、第2の流体を半径方向に給送するように設計され、前記方法は、
    − 内部空間を画定するように前記第1のダクトを単一の環状のダクトとして構成することと、
    − 前記第2のダクトを単一の螺旋状のダクトとして構成することと、
    − 前記第1のダクトによって画定された前記内部空間の内部に前記第2のダクトを位置決めすることと、
    − 前記単一の環状のダクトを横切るように前記単一の螺旋状のダクトを延長することと
    を含む、方法。
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